專利名稱：一種制備摻鋱三氟化釔空心納米纖維的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及納米材料制備研究領域，具體說涉及一種制備摻鋱三氟化釔空心納米纖維的方法。
背景技術：
納米纖維是指在材料的三維空間尺度上有兩維處于納米尺度的線狀材料，通常徑向尺度為納米量級，而長度則較大。由于納米纖維的徑向尺度小到納米量級，顯示出一系列特性，最突出的是比表面積大，從而其表面能和活性增大，進而產生小尺寸效應、表面或界面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應等，并因此表現(xiàn)出一系列化學、物理(熱、光、聲、電、磁等)方面的特異性。空心納米纖維由于具有更大的比表面積，將具有更廣泛的應用。在現(xiàn)有技術中，有很多制備納米纖維的方法，例如抽絲法、模板合成法、分相法以及自組裝法等。此外，還有電弧蒸發(fā)法，激光高溫燒灼法，化合物熱解法。這三種方法實際上都是在高溫下使化合物(或單質)蒸發(fā)后，經(jīng)熱解(或直接冷凝)制得納米纖維或納米管，從本質上來說，都屬于化合物蒸汽沉積法。稀土氟化物聲子能量低，具有良好的熱穩(wěn)定性和環(huán)境穩(wěn)定性，被廣泛用做發(fā)光材料基質、固體電解質、潤滑劑、鋼鐵和有色金屬合金添加劑、電極材料、化學傳感器和生物傳感器等。摻鋱三氟化釔YF3: Tb3+納米材料是一種重要的綠色熒光材料，有廣闊的應用前景，已經(jīng)成為納米發(fā)光材料研究領域的熱點之一。人們已經(jīng)采用沉淀法、微乳液法、水熱與溶劑熱法、溶膠_凝膠法、微波法、超聲波法、前驅體熱解法、靜電紡絲法等方法，制備出了YF3ITb3+納米顆粒、納米線、納米管、納米棒、納米纖維、納米膜、多面體納米晶、復合結構納米晶、核殼結構納米材料等多種形貌的納米材料。摻鋪三氟化乾YF3:Tb3+空心納米纖維是一種新型的綠色發(fā)光材料，將在發(fā)光與顯示、防偽、醫(yī)學檢測、生物標記、太陽能電池、化學與生物傳感器、納米器件等領域得到重要應用，具有廣闊的應用前景。目前，未見摻鋱三氟化釔YF3 = Tb3+綠色發(fā)光空心納米纖維的報道。專利號為1975504的美國專利公開了一項有關靜電紡絲方法(electrospinning)的技術方案，該方法是制備連續(xù)的、具有宏觀長度的微納米纖維的一種有效方法，由Formhals于1934年首先提出。這一方法主要用來制備高分子納米纖維,其特征是使帶電的高分子溶液或熔體在靜電場中受靜電力的牽引而由噴嘴噴出，投向對面的接收屏，從而實現(xiàn)拉絲，然后，在常溫下溶劑蒸發(fā)，或者熔體冷卻到常溫而固化，得到微納米纖維。近10年來，在無機纖維制備技術領域出現(xiàn)了采用靜電紡絲方法制備無機化合物如氧化物納米纖維的技術方案，所述的氧化物包括 TiO2、ZrO2、Y2O3、Y2O3: RE3+(RE3+ = Eu3\Tb3\Er3\Yb3+/Er3+)、NiO、Co3O4> Mn2O3> Mn3O4> CuO> Si02、A1203、V2O5> ZnO> Nb2O5> MoO3> CeO2> LaMO3 (M = Fe、Cr、Mn、Co、Ni、Al)、Y3Al5O12、La2Zr2O7等金屬氧化物和金屬復合氧化物。王進賢等使用單噴絲頭、采用靜電紡絲技術制備了稀土氟化物/稀土氟氧化物復合納米纖維[中國發(fā)明專利，授權號ZL200810050959. 0];董相廷等采用靜電紡絲技術制備了摻銪Y7O6F9納米纖維[中國發(fā)明專利，授權號ZL201010550196. 3];王進賢等使用單噴絲頭、采用靜電紡絲技術制備了稀土三氟化物納米纖維[中國發(fā)明專利，授權號ZL201010107993.4];王策等使用單噴絲頭、采用靜電紡絲技術通過對R(CF3CO2)3/PVP(R = Eu，Ho)復合納米纖維進行熱處理，合成7 ROF(R = Eu,Ho)納米纖維[J. Nanosci. Nanotechnol. ,2009,9(2) :1522-1525] 靜電紡絲方法能夠連續(xù)制備大長徑比微米纖維或者納米纖維。目前，未見采用單軸靜電紡絲技術與氟化技術相結合制備YF3:Tb3+空心納米纖維的報道。利用靜電紡絲技術制備納米材料時，原料的種類、高分子模板劑的分子量、紡絲液的組成、紡絲過程參數(shù)和熱處理工藝對最終產品的形貌和尺寸都有重要影響。本發(fā)明先采用單軸靜電紡絲技術，以氧化釔Y2O3和氧化鋱Tb4O7為原料，用硝酸溶解后蒸發(fā)，得到硝酸釔Y (NO3) 3和硝酸鋱Tb (NO3) 3混合晶體，加入溶劑N，N- 二甲基甲酰胺DMF和高分子模板劑聚乙烯吡咯烷酮PVP，得到紡絲液，控制紡絲液的粘度至 關重要，在最佳的實驗條件下進行靜電紡絲，制備出PVP/[Y (NO3) 3+Tb (NO3)3]原始復合纖維，將其在空氣中進行熱處理，得到Y2O3 = Tb3+空心納米纖維，采用雙坩堝法、以氟化氫銨NH4HF2為氟化劑進行氟化，制備出了結構新穎純相的YF3 = Tb3+空心納米纖維。

發(fā)明內容
在背景技術中的各種制備納米纖維的方法中，抽絲法的缺點是對溶液粘度要求太苛刻；模板合成法的缺點是不能制備根根分離的連續(xù)纖維；分相法與自組裝法生產效率都比較低；而化合物蒸汽沉積法由于對高溫的需求，所以工藝條件難以控制，并且，上述幾種方法制備的納米纖維長徑比小。
背景技術：
中采用了單噴絲頭、使用靜電紡絲技術制備了金屬氧化物、金屬復合氧化物納米纖維、稀土氟化物/稀土氟氧化物復合納米纖維、摻銪Y7O6F9納米纖維、稀土三氟化物納米纖維和ROF(R = Eu, Ho)納米纖維?，F(xiàn)有技術采用沉淀法、微乳液法、水熱與溶劑熱法、溶膠_凝膠法、微波法、超聲波法、前驅體熱解法、靜電紡絲法等方法，制備出了 YF3 = Tb3+納米顆粒、納米線、納米管、納米棒、納米纖維、納米膜、多面體納米晶、復合結構納米晶、核殼結構納米材料等多種形貌的納米材料。為了在納米纖維領域提供一種新型綠色發(fā)光空心納米纖維材料，我們將單軸靜電紡絲技術與氟化技術相結合，發(fā)明了 YF3 = Tb3+空心納米纖維的制備方法。本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，首先制備出用于單軸靜電紡絲的具有一定粘度的紡絲液，應用單軸靜電紡絲技術進行靜電紡絲，在最佳的實驗條件下，制備出PVP/[Y (NO3) 3+Tb (NO3) 3]原始復合纖維，將其在空氣中進行熱處理，得到Y2O3: Tb3+空心納米纖維，采用雙坩堝法、以氟化氫銨NH4HF2為氟化劑進行氟化，制備出了結構新穎純相的YF3 = Tb3+綠色發(fā)光空心納米纖維。在本發(fā)明中，摻雜的鋱離子的摩爾百分數(shù)為5%，標記為YF3:5%Tb3+，即本發(fā)明所制備的是YF3:5% Tb3+空心納米纖維。其步驟為(I)配制紡絲液釔源和鋱源使用的是氧化釔Y2O3和氧化鋱Tb4O7,高分子模板劑采用聚乙烯吡咯烷酮PVP，分子量為10000，采用N，N- 二甲基甲酰胺DMF為溶劑，稱取一定量的氧化釔Y2O3和氧化鋱Tb4O7，其中Y3+和Tb3+的摩爾比為95 5，即鋱離子的摩爾百分數(shù)為5%，用硝酸HNO3溶解后蒸發(fā)，得到Y (NO3) 3和Tb (NO3) 3混合晶體，加入DMF和PVP，于室溫下磁力攪拌4h，并靜置2h，形成紡絲液，該紡絲液中各組成部分的質量百分數(shù)為硝酸鹽含量12%，PVP含量39%，溶劑DMF含量49% ；
(2)制備 PVP/ [Y (NO3) 3+Tb (NO3) 3]原始復合纖維采用單軸靜電紡絲技術，噴絲頭為截平后的10#不銹鋼注射針頭，外徑為1.0mm，內徑為0. 7mm，將配制好的紡絲液置于紡絲裝置的儲液管中，采用豎噴方式，噴絲頭與水平面垂直，調節(jié)直流電壓為16kV，噴絲頭到接收屏鐵絲網(wǎng)的固化距離為18cm，室內溫度18 28°C，相對濕度為40% 70%，隨著溶劑的揮發(fā)，在接收屏鐵絲網(wǎng)上即可得到PVP/[Y(NO3) 3+Tb (NO3)3]原始復合纖維;(3)制備Y2O3:5 % Tb3+空心納米纖維將所述的PVP/[Y (NO3) 3+Tb (NO3)3]原始復合纖維放到程序控溫爐中進行熱處理，升溫速率為1°C /min，在700°C恒溫8h，再以1°C /min的速率降溫至200°C，之后隨爐體自然冷卻至室溫，得到Y2O3:5% Tb3+空心納米纖維；
(4)制備YF3:5% Tb3+空心納米纖維氟化試劑使用氟化氫銨NH4HF2,采用雙坩堝法,將氟化氫銨放入小坩堝中，上面覆蓋碳棒，將所述的Y203:5% Tb3+空心納米纖維放在碳棒上面，將小坩堝放入較大的坩堝中，在內外坩堝間加適量的氟化氫銨，在外坩堝上加上坩堝蓋子放入管式爐中，以2V Mn的升溫速率升溫至280°C保溫2h，再升溫到450°C保溫3h，最后以1°C /min的降溫速率降溫至2000C，之后隨爐體自然冷卻至室溫，得到YF3:5% Tb3+空心納米纖維，直徑為138土20nm，長度大于50 u m。在上述過程中所述的YF3:5% Tb3+空心納米纖維具有良好的結晶性，直徑為138±20nm,長度大于50 u m,實現(xiàn)了發(fā)明目的。


圖I是YF3:5 % Tb3+空心納米纖維的XRD譜圖；圖2是YF3:5% Tb3+空心納米纖維的SEM照片，該圖兼作摘要附圖；圖3是YF3:5% Tb3+空心納米纖維的直徑分布直方圖；圖4是YF3:5 % Tb3+空心納米纖維的EDS譜圖；圖5是YF3:5% Tb3+空心納米纖維的激發(fā)光譜圖；圖6是YF3:5% Tb3+空心納米纖維的發(fā)射光譜圖。
具體實施例方式本發(fā)明所選用的氧化釔Y2O3和氧化鋱Tb4O7的純度為99. 99%，聚乙烯吡咯烷酮PVP,分子量為10000，N，N- 二甲基甲酰胺DMF，碳棒，氟化氫銨NH4HF2和硝酸HNO3均為市售分析純產品；所用的玻璃儀器、坩堝和設備是實驗室中常用的儀器和設備。實施例稱取一定量的氧化釔Y2O3和氧化鋱Tb4O7，其中Y3+和Tb3+的摩爾比為95 5，即鋱離子的摩爾百分數(shù)為5%，用硝酸HNO3溶解后蒸發(fā)，得到Y(NO3)3和Tb(NO3)3混合晶體，加入DMF和PVP，于室溫下磁力攪拌4h，并靜置2h，形成紡絲液，該紡絲液中各組成部分的質量百分數(shù)為硝酸鹽含量12%，PVP含量39%，溶劑DMF含量49% ;采用單軸靜電紡絲技術，噴絲頭為截平后的10#不銹鋼注射針頭，外徑為I. Omm,內徑為0. 7mm，將配制好的紡絲液置于紡絲裝置的儲液管中，采用豎噴方式，噴絲頭與水平面垂直，調節(jié)直流電壓為16kV，噴絲頭到接收屏鐵絲網(wǎng)的固化距離為18cm，室內溫度18 28°C，相對濕度為40% 70 %，隨著溶劑的揮發(fā)，在接收屏鐵絲網(wǎng)上即可得到PVP/ [Y (NO3) 3+Tb (NO3) 3]原始復合纖維；將所述的PVP/[Y(NO3) 3+Tb (NO3)3]原始復合纖維放到程序控溫爐中進行熱處理，升溫速率為1°C /min，在700°C恒溫8h，再以1°C /min的速率降溫至200°C，之后隨爐體自然冷卻至室溫，得到Y2O3:5% Tb3+空心納米纖維；氟化試劑使用氟化氫銨NH4HF2,采用雙坩堝法，將氟化氫銨放入小坩堝中，上面覆蓋碳棒，將所述的Y203:5% Tb3+空心納米纖維放在碳棒上面，將小坩堝放入較大的坩堝中，在內外坩堝間加適量的氟化氫銨，在外坩堝上加上坩堝蓋子放入管式爐中，以2V /min的升溫速率升溫至280°C保溫2h，再升溫到450°C保溫3h，最后以1°C /min的降溫速率降溫至200°C，之后隨爐體自然冷卻至室溫，得到YF3:5% Tb3+空心納米纖維。所述的YF3:5% Tb3+空心納米纖維，具有良好的結晶性，其衍射峰的d值和相對強度與YF3的PDF標準卡片(70-1935)所列的d值和相對強度一致，屬于正交晶系，空間群為Pnma，見圖I所示。所述的YF3:5% Tb3+空心納米纖維的直徑均勻，呈空心纖維狀，長度大于50 u m，見圖2所示。用Shapiro-Wilk方法對YF3:5% Tb3+空心納米纖維的直徑進行正態(tài)分布檢驗，在95%的置信度下，YF3:5% Tb3+空心納米纖維的直徑分布屬于正態(tài)分布，直徑為138±20nm，見圖3所示。YF3:5% Tb3+空心納米纖維由Y、F和Tb元素組成，Au來源于SEM制樣時表面鍍的Au導電層，C來源于有機物的碳化，沒有完全燃燒揮發(fā)所致，見圖4 所示。當監(jiān)測波長為543nm時，YF3:5% Tb3+空心納米纖維的主要激發(fā)峰位于367nm處,對應于Tb3+的7F6 — 5D2躍遷，見圖5所示。在367nm的紫外光激發(fā)下，YF3:5% Tb3+空心納米纖維發(fā)射出主峰位于543nm的明亮綠光，對應于Tb3+離子的5D4 — 7F5躍遷，如圖6所示。當然，本發(fā)明還可有其他多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據(jù)本發(fā)明做出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發(fā)明所附的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種制備摻鋱三氟化釔空心納米纖維的方法，其特征在于，采用單軸靜電紡絲技術與氧化技術相結合的方法，使用聚乙烯吡咯烷酮PVP為高分子模板劑，采用N，N- 二甲基甲酰胺DMF為溶劑，氟化試劑使用氟化氫銨NH4HF2,制備產物為鋱離子摻雜三氟化釔YF3:5%Tb3+空心納米纖維，其步驟為 (1)配制紡絲液 釔源和鋱源使用的是氧化釔Y2O3和氧化鋱Tb4O7,高分子模板劑采用聚乙烯吡咯烷酮PVP，采用N，N-二甲基甲酰胺DMF為溶劑，稱取一定量的氧化釔Y2O3和氧化鋱Tb4O7,其中Y3+和Tb3+的摩爾比為95 5，即鋱離子的摩爾百分數(shù)為5%，用硝酸HNO3溶解后蒸發(fā)，得到Y(NO3) 3和Tb (NO3) 3混合晶體，加入DMF和PVP，于室溫下磁力攪拌4h，并靜置2h，形成紡絲液，該紡絲液中各組成部分的質量百分數(shù)為硝酸鹽含量12%，PVP含量39%，溶劑DMF含量 49% ；(2)制備PVP/[Y(NO3) 3+Tb (NO3)3]原始復合纖維 采用單軸靜電紡絲技術，噴絲頭為截平后的10#不銹鋼注射針頭，外徑為1.0mm，內徑為0. 7mm，將配制好的紡絲液置于紡絲裝置的儲液管中，采用豎噴方式，噴絲頭與水平面垂直，調節(jié)直流電壓為16kV，噴絲頭到接收屏鐵絲網(wǎng)的固化距離為18cm，室內溫度18 28°C，相對濕度為40% 70%，隨著溶劑的揮發(fā)，在接收屏鐵絲網(wǎng)上即可得到PVP/[Y(NO3) 3+Tb (NO3)3]原始復合纖維； (3)制備Y203:5%Tb3+空心納米纖維 將所述的PVP/[Y (NO3) 3+Tb (NO3)3]原始復合纖維放到程序控溫爐中進行熱處理，升溫速率為1°C /min，在700°C恒溫8h，再以1°C /min的速率降溫至200°C，之后隨爐體自然冷卻至室溫，得到Y2O3: 5% Tb3+空心納米纖維； (4)制備YF3:5%Tb3+空心納米纖維 氟化試劑使用氟化氫銨NH4HF2,采用雙坩堝法,將氟化氫銨放入小坩堝中，上面覆蓋碳棒，將所述的Y203:5 % Tb3+空心納米纖維放在碳棒上面，將小坩堝放入較大的坩堝中，在內外坩堝間加適量的氟化氫銨，在外坩堝上加上坩堝蓋子放入管式爐中，以2°C /min的升溫速率升溫至280°C保溫2h，再升溫到450°C保溫3h，最后以1°C /min的降溫速率降溫至2000C，之后隨爐體自然冷卻至室溫，得到YF3:5% Tb3+空心納米纖維，直徑為138土20nm，長度大于50 u m。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種制備摻鋱三氟化釔空心納米纖維的方法，其特征在于，高分子模板劑為分子量Mr = 10000的聚乙烯吡咯烷酮PVP。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備摻鋱三氟化釔空心納米纖維的方法，屬于納米材料制備技術領域。本發(fā)明包括四個步驟(1)配制紡絲液；(2)采用單軸靜電紡絲技術制備PVP/[Y(NO3)3+Tb(NO3)3]原始復合纖維；(3)制備Y2O3:5％Tb3+空心納米纖維，將原始復合纖維進行熱處理得到；(4)制備YF3:5％Tb3+空心納米纖維，采用雙坩堝法，用氟化氫銨將Y2O3:5％Tb3+空心納米纖維進行氟化處理，得到YF3:5％Tb3+空心納米纖維，具有良好的結晶性，直徑為138±20nm，長度大于50μm。該種空心納米纖維是一種重要的綠色熒光材料。本發(fā)明的制備方法簡單易行，可以批量生產，具有廣闊的應用前景。
文檔編號D01D1/02GK102965763SQ20121040741
公開日2013年3月13日 申請日期2012年10月24日 優(yōu)先權日2012年10月24日
發(fā)明者董相廷, 王進賢, 李丹, 于文生, 劉桂霞 申請人:長春理工大學